P92鋼熱處理工藝研究

1、SA335-P92鋼焊后熱處理工藝研究上海電力建設(shè)有限責(zé)任公司 林志華摘 要本文對大口徑厚壁管道焊后熱處理工藝進(jìn)行了較為深入的研究。研究中對比了電阻加熱設(shè)備與電感應(yīng)加熱設(shè)備在對大口徑厚壁管熱處理時造成內(nèi)外壁溫差的試驗，試驗數(shù)據(jù)表明目前電站廣泛使用的電阻加熱設(shè)備熱處理時會造成局部內(nèi)外壁溫差過大的現(xiàn)象，這對熱處理溫度特別敏感的P92鋼十分不利，而采用先進(jìn)的電感應(yīng)加熱設(shè)備內(nèi)外壁溫差<20,可確保P92鋼焊后熱處理整個焊接接頭性能的均勻性，特別是焊縫根部的沖擊韌性。本文還重點介紹了Proheat35型電感應(yīng)加熱設(shè)備在外高橋三期工程中對P92鋼熱處理的應(yīng)用及工藝的改進(jìn)。關(guān)鍵詞：P92鋼、熱處理、電

2、阻加熱、電感應(yīng)加熱一大口徑厚壁管熱處理工藝研究1現(xiàn)電站安裝施工中大口徑厚壁管道焊后熱處理設(shè)備應(yīng)用情況自上世紀(jì)八十年代起，電站安裝施工中大口徑厚壁管道焊后熱處理設(shè)備，由原工頻、中頻電感應(yīng)熱處理設(shè)備逐漸被柔性陶瓷電阻加熱設(shè)備所取代，現(xiàn)使用的柔性陶瓷電阻加熱設(shè)備又配備了微電腦控溫裝置，目前已是電站安裝單位熱處理的主力設(shè)備。原工頻或中頻熱處理設(shè)備，由于其加熱塊笨重，操作不便，中頻熱處理后局部有集膚效應(yīng)現(xiàn)象，加熱塊又為裸露件，操作時很不安全，加上設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、維修困難，逐漸被淘汰。而柔性陶瓷加熱設(shè)備操作便捷、通用性強(qiáng)，并配有微電腦控溫裝置、能自動控制熱處理設(shè)備的輸出電流，使工件熱處理符合規(guī)范要求

3、，所以施工單位現(xiàn)場熱處理全部采用柔性陶瓷電阻加熱設(shè)備。柔性陶瓷電阻加熱設(shè)備 DWK系列示意圖見圖1、圖2，原工頻電感應(yīng)加熱設(shè)備見圖3。圖1、圖2 柔性陶瓷電阻加熱設(shè)備 DWK系列圖3 工頻電感應(yīng)加熱設(shè)備2柔性陶瓷電阻加熱法與電感應(yīng)加熱法的原理及其對P92鋼大口徑厚壁管道焊后熱處理時可能存在的問題（1）柔性陶瓷電阻加熱法是輻射加熱。其加熱原理是從加熱器發(fā)出的熱能以輻射的形式傳到工件的外表面，依靠金屬導(dǎo)熱，從外表面向內(nèi)部傳導(dǎo)。（2）電感應(yīng)加熱是鋼材在交變磁場中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，感應(yīng)電勢在金屬內(nèi)部產(chǎn)生渦流和磁滯，在渦流和磁滯的作用下，使鋼材發(fā)熱。（3）P92鋼的最佳熱處理溫度為760±10，也

4、就是說，熱處理溫度的上限為770，下限為750。熱處理溫度范圍相對比較窄，在這一溫度范圍內(nèi)，P92鋼焊接接頭焊后熱處理才能獲得良好的綜合性能，特別是焊縫的沖擊韌度。（4）目前，現(xiàn)場焊后熱處理廣泛采用的柔性陶瓷電阻加熱設(shè)備，從原理上分析，這種從外表面向內(nèi)部傳導(dǎo)熱能的方法，對大口徑厚壁管很可能會造成內(nèi)、外壁溫差過大的現(xiàn)象，而這種過大的溫差對溫度特別敏感的P92鋼而言，是對沖擊韌度不利的。而電感應(yīng)加熱法，從原理上講，它的熱源來自由金屬內(nèi)部產(chǎn)生的渦流和磁滯作用使材料發(fā)熱，這種熱處理法對大口徑厚壁管造成的內(nèi)、外壁溫差應(yīng)該小，對溫度敏感的P92鋼焊接接頭熱處理應(yīng)該有利，見圖4。感應(yīng)帶最熱區(qū)域熱量在內(nèi)部傳導(dǎo)

5、圖4 電感應(yīng)加熱原理3柔性陶瓷電阻加熱和工頻電感應(yīng)加熱在420×70mm、長680mm的P22管上熱處理試驗（1）試驗?zāi)康腶. 測兩種加熱方法的內(nèi)、外壁溫差b. 測等效點的溫度注：等效點 根據(jù)shifrin的研究結(jié)果，只要加熱帶的寬度在5倍壁厚以上，外表面距焊縫中心線的軸向距離為t的位置大致與內(nèi)表面焊縫根部的溫度相等。（t為壁厚）（2）熱電偶布置在試驗管的同一截面上共布置了七個測溫點，在離截面一倍壁厚70mm處設(shè)一等效點、50mm和90mm處再各設(shè)一個點，共10個測溫點。測溫點布置示意圖見圖5所示，實際的熱電偶布置情況如圖6所示。圖5 測溫點布置示意圖圖6 420×70mm

6、管上熱電偶的布置情況（3）柔性陶瓷電阻加熱法a. 工件加熱至770×4h，測得的各點溫度如表1所示。加熱寬度500mm，管兩端用保溫棉堵上。表1：加熱至770×4h，各點的溫度值測點編號溫度（）測點編號溫度17706740277077403770873847709738572010738b. 測得的管內(nèi)、外壁溫差及等效點（#8）與內(nèi)壁（#5）的溫差：#1點 - #5點 = 770 - 720 = 50#3點 - #6點 = 770 - 740 = 30等效點#8點 - 內(nèi)壁#5點 = 738 - 720 = 18柔性陶瓷電阻加熱實際情況照片如圖7所示。圖7 柔性陶瓷電阻加熱

7、設(shè)備 DWK系列（4）工頻電感應(yīng)加熱a. 工件加熱至765×4h，測得的各點溫度如表2所示。加熱寬度500mm，13匝，管兩端用保溫棉堵上。表2：加熱至770×4h，各點的溫度值測點編號溫度（）測點編號溫度17656760276577493765875947709760574710760b. 測得的管內(nèi)、外壁溫差及等效點（#8）與內(nèi)壁（#5）的溫差：#1點 - #5點 = 765 - 747 = 18#3點 - #6點 = 765 - 760 = 5等效點#8點 - 內(nèi)壁#5點 = 759 - 747 = 12工頻電感應(yīng)加熱實際情況照片 圖8圖8 工頻電感應(yīng)加熱實際情況（5

8、）結(jié)論a. 兩種加熱法在水平固定位置上測得的同一截面周向外壁溫度基本相同（#1#4點的溫度），而徑向方向上的內(nèi)壁溫度處于不均勻狀態(tài)，其內(nèi)、外壁溫差因加熱方法不同相差懸殊。b. 在試驗條件相同的情況下，工頻電感應(yīng)加熱法測得的內(nèi)外壁溫差明顯小于柔性陶瓷電阻加熱法。工頻電感應(yīng)加熱法測得的內(nèi)外壁溫差20，這對焊后熱處理溫度要求特別敏感的P92鋼十分重要。c. 等效點#8點的溫度與管內(nèi)壁#5點的溫差，工頻電感應(yīng)法比柔性陶瓷電阻加熱法溫差值小，但均大于10以上。d. 試驗測得的數(shù)據(jù)證明，電感應(yīng)加熱法無論從理論還是實踐上，該方法在大口徑厚壁管的熱處理效果要優(yōu)于目前廣泛使用的柔性陶瓷電阻加熱法。4Prohea

9、t 35型電感應(yīng)加熱設(shè)備與柔性陶瓷電阻加熱設(shè)備在558×90mm P22管上的熱處理試驗（1）前一輪的熱處理試驗，由于是在420×70mm、長680mm的一段短管上進(jìn)行的，與外高橋三期工程主蒸汽管546×92mm相差甚遠(yuǎn)，所得的數(shù)據(jù)代表性還不夠強(qiáng)。同時，采用的工頻電感應(yīng)加熱設(shè)備極其落后，無法在工程中加以應(yīng)用。但前一輪試驗有一點是可以肯定的，那就是電感應(yīng)加熱法對大口徑厚壁管測得的內(nèi)外壁溫差要比現(xiàn)在廣泛使用的柔性陶瓷電阻加熱設(shè)備來得小，對焊后熱處理溫度特別敏感的P92鋼十分有利。（2）Proheat 35型電感應(yīng)加熱設(shè)備Proheat 35型電感應(yīng)加熱設(shè)備是由美國米勒

10、公司生產(chǎn)的，當(dāng)今世界上最先進(jìn)的熱處理設(shè)備之一。該設(shè)備是電感應(yīng)加熱，其原理是：熱源從工件的近表面發(fā)熱，向工件內(nèi)部傳導(dǎo)。其功率為35kW，頻率0.53萬HZ，屬高頻感應(yīng)加熱。加熱時，輸出電流、電壓、頻率和功率通過微電腦自動匹配，所有數(shù)據(jù)均為電腦儲存。加熱導(dǎo)線為柔性線，內(nèi)通水冷卻。保溫棉為耐高溫、可重復(fù)使用的環(huán)保型產(chǎn)品，見圖9。圖9 Proheat 35型電感應(yīng)加熱設(shè)備（3）為了使這一輪的對比試驗更接近實際，測得的數(shù)據(jù)更具有代表性，我們從現(xiàn)場運(yùn)來了一根長3.15m，規(guī)格為558×90mm的P22材質(zhì)大口徑管。該試驗管的規(guī)格與外高橋三期工程主蒸汽管546×92mm非常接近，試驗所測

11、得的數(shù)據(jù)應(yīng)該很有說服力，見圖10。熱電偶的布置：在試驗管558×90mm，長3.15m的一端800mm處的截面上，在平焊和仰焊位置的內(nèi)、外壁各布置一個測溫點。距截面一倍壁厚90mm處布置一個等效測溫點。熱電偶布置示意圖如圖11所示，實際的熱電偶布置情況見圖12。圖10 558×90mm、3.15m P22大口徑管圖11 熱電偶布置示意圖圖12 558×90mm大口徑管熱電偶布置（4）Proheat 35型電感應(yīng)加熱設(shè)備在558×90mm管上測得的各點數(shù)據(jù)a. 加熱寬度為620mm，管兩端用保溫棉堵住，中間形成1400mm長的小室。b. 當(dāng)試件加熱至769

12、×2h時，測得各點的數(shù)據(jù)如表3所示。表3：加熱至769×2h 測得各點的數(shù)據(jù)測溫點#1#2#3#4#5溫度769769750753769c. 管內(nèi)、外壁溫差：#1點 - #3點 = 769 - 750 = 19#2點 - #4點 = 769 - 753 = 16d. 等效點#5與#3點的溫差：#5點 - #3點 = 769 - 750 = 19實際測得的數(shù)據(jù)照片見圖13。圖13 測得數(shù)據(jù)照片e. 重復(fù)試驗測得的各點數(shù)據(jù)，參見表4。表4：加熱至770×2h 時，測得各點的數(shù)據(jù)測溫點#1#2#3#4#5溫度770770754756768f. 管內(nèi)、外壁溫差：#1點 -

13、 #3點 = 770 - 754 = 16#2點 - #4點 = 770 - 756 = 14g. 等效點#5與#3點的溫差：#5點 - #3點 = 768 - 754 = 14（5）柔性陶瓷電阻加熱設(shè)備（DWK-180）在558×90mm管上測得的各點數(shù)據(jù)a. 加熱寬度為640mm，管兩端用保溫棉堵住，中間形成1400mm長的小室。b. 當(dāng)試驗加熱至769×3h時，測得各點的數(shù)據(jù)如表5所示。表5：加熱至769×3h 測得各點的數(shù)據(jù)測溫點#1#2#3#4#5溫度769769736715769c. 管內(nèi)、外壁溫差：#1點 - #3點 = 769 - 736 = 33

14、#2點 - #4點 = 769 - 715 = 54d. 等效點#5點與#3點的溫差：#5點 - #3點 = 769 - 736 = 33（6）結(jié)論a. Proheat 35型電感應(yīng)加熱設(shè)備與柔性陶瓷電阻加熱設(shè)備，在558×90mm管水平固定位置上測得的同一截面上周向外壁溫度相同，溫度屬均態(tài)分布。而徑向方向（壁厚方向）內(nèi)壁溫度處于不均勻狀態(tài)，其內(nèi)外壁溫差因加熱方法不同相差懸殊，電感應(yīng)加熱，管內(nèi)外壁溫差遠(yuǎn)比柔性陶瓷電阻加熱小。這一現(xiàn)象與第一輪試驗結(jié)果完全吻合。bProheat 35型電感應(yīng)加熱設(shè)備在558×90mm管上試驗所測得的內(nèi)外壁溫差20，而柔性陶瓷電阻加熱設(shè)備在相同試

15、驗條件下測得的內(nèi)外壁溫差最小為33，最大為54。c. 試驗表明如在外高橋三期工程主蒸汽管546×92mm的P92鋼焊后熱處理時，采用Proheat 35型電感應(yīng)加熱設(shè)備，能有效地保證P92大口徑厚壁管熱處理溫度控制在760±10范圍之內(nèi)，從而確保P92鋼整個焊接接頭內(nèi)外部的力學(xué)性能，特別是焊縫根部的沖擊韌度。d. Proheat 35型電感應(yīng)加熱設(shè)備屬高頻感應(yīng)加熱，其集膚效應(yīng)現(xiàn)象在試驗中并不明顯。e. 試驗結(jié)果表明，等效點的測試溫度值與內(nèi)壁測試溫度值存在著較大的差距，等效點的溫度實際上是受多種因素影響，如加熱方法、管徑、壁厚、管內(nèi)氣流等。所以這一點與理論上有差異，實際施工中

16、該點不能真正等效內(nèi)壁的溫度。二Proheat 35型電感應(yīng)加熱設(shè)備在P92鋼管中的應(yīng)用1P92鋼焊后熱處理的敏感溫度P92鋼的含Cr量為9%、含W量為1.7%左右，由于該材料合金成分含量高，而且有一定量的W元素，有可能導(dǎo)致該鋼材對焊后熱處理溫度特別敏感。在對現(xiàn)場P92鋼456×65mm口徑焊接接頭焊后熱處理時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Proheat 35型電感應(yīng)加熱設(shè)備溫度升至740至748時，升溫速度減慢，該溫度范圍可能就是P92鋼焊后熱處理的敏感溫度區(qū)域。那么，Proheat 35型電感應(yīng)加熱設(shè)備能否應(yīng)用于P92鋼的焊后熱處理呢？為此，在試驗室對360×56mm P92鋼管用35型電感應(yīng)

17、設(shè)備做熱處理試驗見圖14。試驗結(jié)果證明，使用Proheat 35型電感應(yīng)加熱設(shè)備完全能將P92鋼焊接接頭溫度升至770。但當(dāng)溫度升至740功率由35.1kw降至33kw，升溫速度減慢，但持續(xù)一段時間后又開始升溫，升至設(shè)定的770時，功率為19.1kw。 圖14 試驗室采用35型電感應(yīng)設(shè)備對360×56mm P92鋼管熱處理2Proheat 35型電感應(yīng)加熱設(shè)備在P92鋼中的應(yīng)用安裝現(xiàn)場的工況條件遠(yuǎn)比試驗室來得惡劣，施工現(xiàn)場焊后熱處理工件的散熱狀況比試驗中的模擬件來得復(fù)雜，加上P92鋼對焊后熱處理溫度的敏感性，安裝現(xiàn)場使用Proheat 35型電感應(yīng)加熱設(shè)備對P92鋼大口徑厚壁管做焊后

18、熱處理遠(yuǎn)比想象中復(fù)雜，難度要大很多。為了解決施工中惡劣條件給熱處理造成的困難，充分發(fā)揮Proheat 35型電感應(yīng)加熱設(shè)備對大口徑厚壁管熱處理時可有效地控制管內(nèi)外壁溫差20這一優(yōu)勢，并針對P92鋼對740至748溫度敏感這一特點，在對大口徑厚壁管P92鋼焊后熱處理時，在熱處理工藝上進(jìn)行了改進(jìn)。（1）420×85mmP92鋼的焊后熱處理工藝在對三級過熱器出口端420×85mmP92鋼焊后熱處理時，在焊縫區(qū)400mm范圍內(nèi)采用Proheat 35型電感應(yīng)加熱設(shè)備作為主加熱區(qū)，在緊靠主加熱區(qū)旁兩側(cè)附以小功率電阻加熱塊筑起一道熱壩（Heat Dam）與主加熱設(shè)備同步進(jìn)行加熱或遲后加

19、熱，并使熱壩區(qū)溫度嚴(yán)格控制在670至680范圍內(nèi)，當(dāng)主加熱區(qū)溫度達(dá)到765恒溫2小時時，可切斷兩側(cè)熱壩區(qū)電源，熱壩區(qū)停止加熱，完成使命。以后完全依靠Proheat 35型電感應(yīng)加熱設(shè)備加熱，使主加熱區(qū)溫度有效地控制在765。這種熱處理方法在對420×85mmP92鋼焊接接頭熱處理時，取得了很好的效果。 加熱區(qū) 610 85熱壩區(qū) 主加熱區(qū) 400 ××× ×××保溫區(qū) 900420×85mm P92鋼焊接接頭焊后熱處理加熱剖面示意圖主加熱區(qū)采用Proheat 35型電感應(yīng)加熱設(shè)備加熱寬度400mm 12匝熱壩區(qū)采用

20、電阻加熱塊加熱寬度每側(cè)85mm 5kw（2）熱壩區(qū)的布置及溫度的設(shè)置a. 熱壩區(qū)位置的布置：熱壩區(qū)位置布置在主加熱區(qū)旁距焊縫邊緣200250mm左右處，與主加熱區(qū)的外側(cè)線圈留出一定的距離，以避免加熱塊加熱時損壞線圈的絕緣層。b. 熱壩區(qū)溫度的設(shè)置：熱壩區(qū)溫度設(shè)置在670至680范圍內(nèi)效果明顯。熱壩區(qū)可以與主加熱區(qū)同步進(jìn)行加熱，也可以遲后于主加熱區(qū)，或當(dāng)主加熱區(qū)溫度升至740時，再啟動熱壩區(qū)加熱，這三種情況均可以。當(dāng)主加熱區(qū)溫度升至765時，熱壩區(qū)可以在2小時后切斷電源，以后由Proheat 35型電感應(yīng)加熱設(shè)備繼續(xù)工作。（3）主加熱區(qū)Proheat 35型電感應(yīng)加熱設(shè)備使用情況主加熱區(qū)的加熱寬

21、度為400mm，共繞12匝，升溫速度150/h，溫度升至740至765時主要參數(shù)如下：溫度主 要 參 數(shù)電流（A）電壓（V）功率（kw）頻率（kHz）74029870022.711.575529970022.311.576530070020.311.6在420×85mm P92鋼焊接接頭焊后熱處理時，溫度從740升至755，再到765時，整個升溫過程十分平穩(wěn)，特別是進(jìn)入敏感溫度區(qū)域沒有出現(xiàn)升溫速度減慢的現(xiàn)象，整個焊接接頭設(shè)置的三個測溫點均按設(shè)定溫度達(dá)到765。在切斷熱壩區(qū)電源后，電感應(yīng)加熱設(shè)備按設(shè)定的765保溫8小時的程序正常工作。保溫期間加熱設(shè)備顯示儀上顯示的電流、電壓、功率和頻率

22、自動匹配，并始終使工件的溫度穩(wěn)定在設(shè)定的765范圍內(nèi)，見圖15。 圖15 現(xiàn)場采用35型電感應(yīng)設(shè)備附熱壩對460×85mm P92鋼管熱處理經(jīng)該工藝熱處理后，420×85mm P92鋼焊接接頭的硬度檢驗值：焊縫區(qū)HB231 HB230 HB221 平均值HB227母材一側(cè)HB197 HB199 HB210 平均值HB202母材另一側(cè)HB190 HB198 HB196 平均值HB195（4）546×92mm P92鋼的焊后熱處理采用類似工藝在主蒸汽管規(guī)格為546×92mm（實測壁厚為100mm）的焊口焊后熱處理時，主加熱區(qū)的加熱溫度為760，恒溫8小時，此

23、時電感應(yīng)加熱設(shè)備的功率為22kw。見圖16和圖17經(jīng)該工藝熱處理后，546×92mm P92鋼焊接接頭的硬度檢驗值（2G）：焊縫區(qū)HB239 HB227 HB224 平均值HB230母材一側(cè)HB201 HB196 HB205 平均值HB201母材另一側(cè)HB208 HB202 HB210 平均值HB207經(jīng)該工藝熱處理后，546×92mm P92鋼焊接接頭的硬度檢驗值（5G）：焊縫區(qū)HB249 HB237 HB242 平均值HB 243母材一側(cè)HB202 HB210 HB206 平均值HB 209母材另一側(cè)HB213 HB205 HB200 平均值HB 209 圖16 546×92mm P92鋼 2G焊口 圖17 546×92mm P92鋼 5G焊口3P92鋼大口徑厚壁管采用Proheat 35型電感應(yīng)加熱設(shè)備附熱壩區(qū)熱處理工藝的優(yōu)點（1）在主加熱區(qū)采用Proheat 35型設(shè)備的周圍筑起一道熱壩（Heat Dam）可以使大厚壁工件在加熱過程中減緩熱量沿管道軸向和徑向方向上的散熱速度，減小管內(nèi)空氣流動時的熱量損耗。這種熱處理工藝對P92鋼熱處理敏感溫度的作用特別有效，可避免P92鋼加熱溫度到達(dá)敏感溫度區(qū)域時使升溫